Práctica 1. Calibración, pérdidas y filtros.

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1 Calibración, pérdidas y filtros Laboratorio de medidas e instrumentación i Laboratorio de medidas e instrumentación. Práctica 1. Calibración, pérdidas y filtros. Nombres

2 Calibración, pérdidas y filtros Laboratorio de medidas e instrumentación 1 OBJETIVOS 1. Familiarizarse con los aparatos de medida del puesto: Analizador Vectorial de Redes (VNA), Analizador de Espectros (SPA) y generador de señal. 2. Calcular las pérdidas, en función de la frecuencia, de los cables coaxiales que se emplearán en el resto de las prácticas y el divisor/combinador de potencia. 3. Caracterizar un filtro paso banda de radio-frecuencia. 1. CALIBRACIÓN DEL VNA Todos los aparatos de medida del puesto son equipos profesionales, específicos para la caracterización del comportamiento de circuitos de radiofrecuencia (RF). El analizador vectorial de redes o VNA se utiliza para la medida de los parámetros S de un circuito en un rango amplio de frecuencias. En el caso del equipo del puesto, hasta una frecuencia de 3 GHz. Para la medida de los parámetros S de un circuito de RF es necesario establecer el plano de referencia a la entrada de dicho circuito, es decir se necesita eliminar o sustraer de la medida el efecto de todos aquellos errores sistemáticos como pueden ser las pérdidas en cables, conectores, etc. Para ello previamente a la medida del circuito de RF el VNA necesita ser calibrado. Mediante dicho proceso de calibración se suministra al VNA toda la información necesaria para que después pueda sustraer de la medida del circuito los efectos debidos a los errores sistemáticos mencionados. De esta manera se obtienen los parámetros S justo a la entrada del circuito que se quiere caracterizar. La manera de calibrar el VNA es ir conectando al cable que se va a utilizar en las medidas una serie de terminaciones: un cortocircuito, un circuito abierto y una carga de 50 Ω, que es la impedancia característica del aparato. Además, si se utilizan los dos puertos del analizador, también se necesitará un adaptador hembra-hembra que conecte entre sí los dos cables. El VNA puede calibrarse de dos maneras diferentes, según se quieran medir sólo los parámetros de reflexión: S11 y S22 o incluir también los de transmisión: S21 y S12. Antes de comenzar cualquier calibración, es bueno cerciorarse del rango de frecuencias en el que vamos a calibrar el aparato, para ello basta con pulsar FREQ y a continuación establecer el rango START-STOP. La potencia de la señal empleada para realizar la calibración es también un parámetro importante

3 Calibración, pérdidas y filtros Laboratorio de medidas e instrumentación 2 y antes de calibrar el VNA siempre habrá que considerar cual es el valor adecuado de potencia a emplear. Para esta práctica deberá establecerse a un nivel de 0 dbm (pulsar POWER ). ONE PORT. Para el primero de los dos casos, sólo se utilizará el puerto 1. Éste se utilizará en modo REFLECTION. Para ello basta con pulsar MEAS1- REFLECTION. El puerto 2 se ha de poner en OFF. Para empezar con la calibración pulsaremos la tecla CAL y seleccionaremos la opción 1-PORT. El aparato nos pedirá conectar el circuito abierto (OPEN) al puerto que trabaja en modo REFLECTION y pulsar la tecla MEASURE STANDARD. Estos pasos se deberán repetir, cuando se nos pida, con el cortocircuito (SHORT) y la carga (LOAD) de 50 Ohmios. ENHANCED RESPONSE. Para poder medir, también, los parámetros S de transmisión, es necesario, además de lo anterior, activar el puerto 2 en modo TRANSMISSION. Para empezar con la calibración pulsaremos la tecla CAL y seleccionaremos la opción ENHANCED RESPONSE. El aparato nos pedirá conectar el circuito abierto, el cortocircuito y la carga al puerto 1. El último paso de la calibración será cuando el VNA nos pida conectar los cables entre sí. Haremos esto utilizando el adaptador hembra-hembra. Si hemos realizado los pasos correctamente el VNA nos indicará CALIBRATION COMPLETED. Tanto para la calibración ONE PORT como ENHANCED RESPONSE se recomienda comprobar que la diferencia entre la medida del SHORT/OPEN con respecto a la de LOAD es de al menos 20dB, para aquellas frecuencias en que la diferencia sea inferior a dicho valor hay que saber que la medida que realicemos no será del todo precisa. Para evitar errores de una medida puntual en la calibración o disminuir el ruido de la medida en la calibración, existe una opción, llamada AVERAGE, que sirve para que el VNA realice una media de varias medidas antes de representarlas en pantalla. Para ello hay que pulsar la tecla AVG. Para configurar el número de medidas se presiona FACTOR, y para activar esta opción, es necesario poner en ON el AVERAGE FACTOR. Se recomienda un factor de 32. Para familiarizarse con el método de calibración, ésta se realizará de las dos maneras explicadas y para dos rangos de frecuencia distintos: 800 MHz- 1GHz y 300 KHz-3GHz. Para comprobar que la calibración es suficientemente buena como para poder calcular los parámetros S de un circuito con precisión, y que las medidas que realicemos sean repetibles, es necesario comprobar, una vez calibrado el aparato, el comportamiento del circuito abierto, del cortocircuito y la carga del kit en formato logarítmico (db) y en la carta de Smith dentro del rango de frecuencias que nos interesa (este tipo de gráficas se encuentran dentro del menú FORMAT). Para que la calibración sea suficientemente buena, el parámetro S11 debe estar dentro del rango ±0.1 db para el cortocircuito y

4 Calibración, pérdidas y filtros Laboratorio de medidas e instrumentación 3 circuito abierto; e inferior a 40dB para la carga y para el adaptador hembrahembra. Se rellenará la siguiente tabla con el peor valor en db para el comportamiento de cada uno de los componentes del kit y la frecuencia a la que se produce. Medida 800 MHz-1GHz 300 KHz-3GHz Cortocircuito Circuito abierto Carga 50 Ω Adaptador Pregunta. Cómo debería ser, idealmente, el comportamiento en la carta de Smith del parámetro S11 para cada uno de los casos anteriores?. Márquese en la siguiente carta.

5 Calibración, pérdidas y filtros Laboratorio de medidas e instrumentación 4 Pregunta. Se comportan los componentes como idealmente debieran hacerlo en todos los casos? En qué casos no? Sabríais decir el porqué? 2. PÉRDIDAS Como se acaba de ver al caracterizar un circuito de RF con el VNA se dispone de un proceso establecido de calibración de forma que es posible sustraer de la medida de los parámetros S del circuito el efecto de los errores sistemáticos. Sin embargo, tanto el analizador de espectros como el generador de señal no disponen de un proceso establecido por lo que de alguna manera previamente a la medida del circuito con dichos aparatos habrá de evaluarse error introducido por los errores sistemáticos. El error más típico es el causado por las pérdidas de cables, conectores, etc. En este apartado se caracterizarán los componentes del kit cuyas pérdidas son significativas: los cables y el divisor/combinador de potencia. Para ello utilizaremos el generador de señal y el analizador de espectros. El kit consta de 2 tipos de cable, de longitud 1 m y 1,5 m. Es un cable coaxial flexible denominado RG223. La conexión para calcular la pérdida en los cables es la que aparece en la figura. GENERADOR 1 2 SPECTRUM 3 1. Generador de señal. 2. Cable cuyas pérdidas estamos midiendo. 3. RF input del espectro.

6 Calibración, pérdidas y filtros Laboratorio de medidas e instrumentación 5 Se elegirá -20 dbm o una potencia baja como potencia de salida del generador. Se hace así para evitar que se pierda exactitud en la medida del analizador de espectros. El analizador introduce una atenuación automática a señales de entrada con potencia elevada; así, cuanta mayor atenuación tenga que introducir el analizador, menos preciso será. Para disminuir la atenuación que introduce el analizador de espectros hasta los 0 db, y obtener una medida más precisa, basta con entrar en el menú AMPLITUDE, poner la atenuación en modo manual y pulsar 0 db. Y para obtener una medida más estable, se puede utilizar la función AVERAGE en el menú BW/AVG y cambiar esta función a ON. También es conveniente reducir el SPAN en la medida. Calcular las pérdidas del cable de 1 m y 1,5 m a una frecuencia de 500MHz. Pregunta: Qué efecto tiene sobre la medida de las pérdidas el variar el conjunto RBW-SPAN del aparato? Qué RBW y SPAN hay que adoptar para que la medida sea precisa? Pregunta: Unir los dos cables y comprobar que las pérdidas que se obtienen son la suma de las pérdidas calculadas. En caso de que no lo sean Por qué? Buscar un método adecuado de medida. Para caracterizar las pérdidas de los cables de una manera precisa, será necesario, una vez hallado un método adecuado de medida, rellenar una tabla con las pérdidas de cada tipo de cable en saltos de 300 MHz en todo el rango de frecuencias desde 0 a 3 GHz. Habrá que presentar dos gráficas, una para cada cable, que muestre las pérdidas (en db) en función de la frecuencia. Frecuencia (MHz) Potencia del SGN Potencia del PSA Pérdidas del cable 1 mt Pérdidas del cable 1.5 mt Respecto al divisor/combinador de potencia del kit, se trata de un divisor múltiple de Wilkinson de gran ancho de banda. Para caracterizar las pérdidas de este divisor/combinador de potencia utilizaremos tres equipos, el generador

7 Calibración, pérdidas y filtros Laboratorio de medidas e instrumentación 6 de señal, el VNA funcionando como generador y el analizador de espectros. Para poner el VNA en el modo de generador de señal, se debe presionar FREQ y a continuación CW, así se establece la frecuencia. Si queremos configurar la potencia, basta con pulsar POWER LEVEL y variarla. Se elegirá - 20 dbm o una potencia baja por la misma razón citada anteriormente. Previamente hay que calibrar el puerto 1. Para realizar esta medida se enviarán dos señales que tengan la misma potencia, a la entrada del divisor de potencia, con frecuencias equidistantes respecto de una frecuencia central. Estas medidas se realizarán para dos offset de frecuencia distintos respecto a esa frecuencia central y en el rango de frecuencias de este componente MHz. Se ha de corregir la potencia del generador de señal con las pérdidas del cable que une la salida del generador con la entrada del divisor de potencia, pues el generador no las tiene en cuenta, y de lo que se trata es de obtener dos señales con la misma potencia en ambas entradas del divisor. Esa corrección se tomará de la tabla anterior. Hay que tener en cuenta, además, la imprecisión del VNA trabajando en modo CW. Se buscará la forma más adecuada de medir las pérdidas del combinador de forma análoga a como se han medido las pérdidas de los cables en el apartado anterior. GENERADOR VNA POWER COMBINER SPECTRUM 4 1. Generador de señal. 2. VNA. 3. Divisor/combinador de potencia. 4. Analizador de espectros. Frecuencia central (MHz) Potencia del VNA Potencia del SGN Potencia del SPA Pérdidas del Pow. Comb. f=100khz Pérdidas del Pow. Comb. f=1mhz

8 Calibración, pérdidas y filtros Laboratorio de medidas e instrumentación De nuevo, se han de presentar dos gráficas que muestren el comportamiento del combinador de potencia respecto a sus pérdidas, para los dos offset de frecuencia. 3. CARACTERIZACIÓN DEL FILTRO En este apartado se caracterizará el comportamiento del filtro de la empresa Minicircuits modelo NBP-177-1, que se encuentra dentro del kit. Mediante la siguiente conexión, se medirán los parámetros más característicos del filtro: VNA 1 2 FILTER Será necesario calibrar los dos puertos del analizador de redes para medir los parámetros del filtro. Habrá que medir las siguientes características. 1. Tipo de filtro: Pasa-baja, Pasa-alta o Pasa-banda: 2. Frecuencia central: 3. Pérdidas mínimas en la banda de paso: 4. Ancho de banda a 3 db: 5. Rizado en db dentro de la banda de paso: 6. Ancho de banda de la banda de rechazo(pérdidas de inserción>20db): 7. Ancho de banda de la banda de rechazo(pérdidas de inserción>35db): 8. VSWR mínimo en la banda de paso: 9. VSWR máximo en la banda de paso: Una vez caracterizado el filtro, se ha de presentar la gráfica que muestre el comportamiento en frecuencia de las pérdidas de inserción en db. Esta gráfica se tendrá que obtener de la siguiente manera: Grabando en un disquete la gráfica que aparece en el VNA. Para ello las gráficas obtenidas se van a guardar en formato ASCII, para

9 Calibración, pérdidas y filtros Laboratorio de medidas e instrumentación 8 después poder representarlas en una gráfica con el ordenador. Para guardar, presionar SAVE RECALL, SELECT DISK INTERNAL 3.5 DISK y en el menú DEFINE SAVE, seleccionar SAVE ASCII y a continuación la medida Meas2. Hay que elegir en el menú FORMAT el formato LOG MAG. Pues el VNA guarda el formato que estamos midiendo. Pregunta. Se te ocurre alguna otra manera de calcular las pérdidas de inserción del filtro, utilizando los equipos de medida del puesto? Dibuja cuales serían las conexiones a realizar.

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